Що таке людський гліком? Як вчені розблокували цукровий кодекс

Коли ви думаєте про цукор, ви, напевно, думаєте про солодкий, білий, кристалічний столовий цукор, який ви використовуєте для приготування печива або підсолоджуєте каву. Але чи знаєте ви, що в нашому тілі прості молекули цукру можуть бути з'єднані разом, щоб створити потужні структури, які нещодавно виявилися пов'язаними з проблемами здоров'я, включаючи рак, старіння і аутоімунні захворювання.

Ці довгі ланцюжки цукру, які охоплюють кожну з наших клітин, називаються гліканами, і, за даними Національної академії наук, створення карти їх розташування і структури призведе до нової ери сучасної медицини. Це відбувається тому, що людський glycome - вся колекція цукрів у нашому тілі - будинки ще-бути-відкрити гликани з потенціалом, щоб допомогти лікарям у діагностиці та лікуванні своїх пацієнтів.

Завдяки всесвітній увазі, здобутій завдяки завершенню проекту геному людини у 2003 році, більшість людей чули про ДНК, геноміку і навіть протеоміку - про вивчення білків. Але вивчення гліканів, також відомої як глікоміка, становить близько 20 років за іншими галузями. Однією з причин цього відставання є те, що вчені не розробили інструментів для швидкого виявлення структур глікану та їхніх місць прикріплення на клітинах людей. «Цукрове пальто» було дещо загадкою.

До цих пір.

Хоча більшість лабораторій зосереджені на клітинних або молекулярних дослідженнях, наша лабораторія присвячена розробці технологій для швидкої характеристики гліканових структур та їхніх сайтів прикріплення. Нашою кінцевою метою є каталогізація сотень тисяч цукрів та їх розташування на різних типах клітин, а потім використання цієї інформації для адаптації медичної терапії до кожної людини.

Це відео може також сподобатися від Обернено:

Чому ми дбаємо про гліканів?

У майбутньому, ймовірно, аналіз гліканів індивідуума буде використовуватися для прогнозування нашого ризику розвитку захворювань, таких як ревматоїдний артрит, рак або навіть харчова алергія. Це пояснюється тим, що зміни глікозу можуть бути специфічно прив'язані до конкретних станів захворювання. Крім того, біологічні процеси, такі як старіння, пов'язані з запаленням нашого глікозу. Залишається перевірити, якщо зміни цих змін допоможуть запобігти захворюванню або навіть уповільнити старіння - інтригуючу можливість.

Поряд з ДНК, білками і жирами, глікани є однією з чотирьох основних макромолекул, необхідних для життя. З цих чотирьох, глікани є останніми арбітрами того, як ведуть себе наші клітини.

ДНК орієнтується на те, як ми виглядаємо, здатність мислити і вести себе, і навіть визначає захворювання, до яких ми найбільш сприйнятливі. У нашій ДНК розташовані короткі сегменти, гени, які часто містять інструкції щодо синтезу білків. Білки, у свою чергу, є «робочими конями» клітини, виконуючи багато функцій, необхідних для життя.

Однак, як поводиться білок часто залежить від того, які глікани прикріплюються до нього. Іншими словами, ці молекули цукру можуть сильно впливати на те, як наші білки роблять свою роботу, і навіть як наші клітини будуть реагувати на подразники. Наприклад, якщо ви змінюєте кілька гліканів на зовнішню клітинку, це може викликати міграцію цієї клітини в інше місце в нашому тілі.

Основна робота гліканів полягає в тому, щоб модифікувати білки і жири, які сидять на поверхні наших клітин. Разом вони створюють щільну цукрову оболонку навколо клітини. Якщо ми розглядаємо поверхню клітини як грунт, то глікани будуть дивовижно різноманітним рослинним життям і листям, які проростають і приносять колір і ідентичність до клітини. Насправді, якщо б ви могли бачити клітину своїм неозброєним оком, це виглядало б дуже нечітко. Зображення персика в 10 разів більше пуху.

Глікани маркують наші власні осередки та ідентифікують їх як “Я”

Пух навколо клітини є його глікан пальто. Знаходячись поза нашими клітинами, глікани є першою точкою контакту для більшості клітинних взаємодій і таким чином впливають на те, як наші клітини спілкуються один з одним. Ви також можете розглядати глікани як унікальний стільниковий «штрих-код». Таким чином, пух клітини нирки буде виглядати інакше, ніж пух імунної клітини. Але є й схожість. Насправді, імунні клітини, які обстежують наш організм, шукають патогенів, знають, що вони не атакують наші власні клітини, тому що вони мають спільні риси «штрих-коду» гліканів, які поділяються всіма клітинами нашого тіла.

Навпаки, бактерії і паразити, такі як малярія, мають різні «цукрові шари», які не видно на клітинах людини. Коли бактеріальні цукру позначені як «іноземні», імунна система людини спрямована на бактерію для знищення. Тим не менш, деякі шкідливі бактеріальні патогени, такі як стрептококи групи В, які зазвичай викликають важкі інфекції у дітей, можуть уникнути виявлення імунної системи шляхом уособлення людських клітин шляхом перенесення подібних гліканів як маскування - як вовка, одягненого в овчину.

На жаль, деякі збудники також можуть використовувати наші глікани, щоб допомогти їм викликати захворювання. Смертельні віруси, такі як ВІЛ і Ебола, еволюціонували, щоб захопити специфічні глікани, які вони потім "блокують", оскільки вони заражають наші людські клітини. Терапії, які або блокують ці віруси від взаємодії з нашими гліканами, або які атакують специфічні для вірусу глікани, можуть бути новим способом лікування цих інфекцій.

Нові дослідження також показали, що глікани відіграють величезну роль у розвитку аутоімунних захворювань, таких як ревматоїдний артрит і аутоімунний панкреатит. Це не дивно, оскільки глікани безпосередньо впливають на функцію імунних клітин.

Як правило, наші імунні клітини діють як «захисна система нашого організму», а також ідентифікують та знищують іноземних загарбників, як шкідливі бактерії або віруси. Але коли тіло помилково позначає наші власні клітини як ворога і запускає внутрішній напад на себе, народжується аутоімунітет. Цікаво, що в таких випадках саме глікани, які присутні на самостійних антитілах, що дивують себе, будуть диктувати силу нападу на організм. Ця аномальна імунна реакція може бути навіть спрямована проти гліканів. Наприклад, імунна система може помилково «самостійно» глікани, як якщо б вони були «чужими» молекулами. Наша дослідницька група нещодавно опублікувала статтю, в якій була представлена ​​глікан-теорія аутоімунітету, яка пояснює деякі з цих зв'язків.

Глікани в нашій їжі можуть викликати імунні реакції

Існує багато досліджень, які пов'язують споживання червоного м'яса з захворюваннями, такими як атеросклероз та діабет, але вони не змогли показати, чому і як це відбувається до недавнього часу. Одне інтригуюче дослідження показує, що винуватцем був цукор з громіздкою назвою, нелюдська сіалічна N-гликолилнеураминовая кислота, або Neu5Gc для короткого. Neu5Gc зустрічається у всіх ссавців, за винятком людей, оскільки ранні люди, які могли б зробити Neu5Gc, померли від стародавнього малярійного паразита.

Однак, хоча у нас зараз відсутня здатність виробляти Neu5Gc, наші тіла все ще мають можливість включити його в глікани на наших клітинах, якщо ми отримаємо його, споживаючи червоне м'ясо. Як тільки вона стає частиною гліканового покриття наших клітин, наші клітини потім мають «чужу» речовину - Neu5Gc - навколо них. Це може викликати запалення по всьому тілу, тому що наша імунна система визнає Neu5Gc як «іноземну» і атакує її. Хронічне запалення, викликане цими внутрішніми нападами, може призвести до інфаркту, інсульту і навіть раку.

Наші тіла синтезують десятки тисяч унікальних гліканів, часто з розгалуженими структурами, утвореними з простих цукрових будівельних блоків. Білки або жири також можуть бути модифіковані десятками унікальних гліканів. Ці незліченні комбінації роблять відображення гліканів важким завданням, оскільки нам потрібен практичний і ефективний спосіб аналізу сотень тисяч шаблонів гліканів.

Наша дослідницька група розробила методи для швидкого та надійного моніторингу людського глімеру. Використовуючи технічні досягнення та вдосконалення обробки проб, наша техніка може відразу відстежувати тисячі гліканів, що дозволяє нам охарактеризувати глікани в клітинах здорових людей та пацієнтів з різними захворюваннями. Нашою метою є використання цих даних для розробки прогностичних моделей, які допоможуть клініцистам діагностувати та лікувати всі хвороби людини. Ми віримо, що нова хвиля медичних досягнень прийде, коли ми розблокуємо «код цукру».

Джейн Ван була головним автором цієї статті.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Емануїла Маверакіса, Карліто Лебрілла та Дженні Ван. Читайте оригінальну статтю тут.